[论文解读] New Physics in $b o s\ell\ell$ anomalies and its implications for the complementary neutral current decays

Faisal Munir Bhutta, Zhuo-Ran Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 79被引用 7

一句话总结

本文利用模型无关的有效哈密顿量和螺旋度形式体系，研究了涉及标量、矢量、轴矢量及重子末态的 $b \to s\ell^+\ell^-$衰变中的轻子味 universality-violating (LFUV) 比值。研究发现，$B \to K^*\ell^+\ell^-$、$B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$ 和 $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 衰变中的 LFUV 比值，特别是在低-$q^2$ 区域，对新物理高度敏感，为未来 Belle II 和 LHCb 实验中区分新物理场景提供了关键判据。

ABSTRACT

We study the Standard Model and the new physics predictions for the lepton-flavour-universality violating (LFUV) ratios in various $b o s \ell^+\ell^-$ channels with scalar, pseudoscalar, vector, axial-vector, and $Λ$ baryon final states, considering both unpolarized and polarized final state hadrons. In order to formulate physical observables, we use the model independent effective Hamiltonian approach and employ the helicity formalism. We provide the explicit expressions of the helicity amplitudes in terms of the Wilson coefficients and the hadronic form factors by using the same kinematical configuration and polarization conventions for all the decay channels.We perform the numerical analysis with new physics scenarios selected from the recent global fits to $b o s\ell^+\ell^-$ data, having specific new physics model interpretations. We find that some of the LFUV ratios for these complementary channels in different kinematical regions have high sensitivity to new physics and the future measurements of them in Belle II and LHCb experiments, along with testing new physics/LFUV, can help to distinguish among some of the different new physics possibilities.

研究动机与目标

• 评估 $b \to s\ell^+\ell^-$ 衰变中 lepton-flavour-universality-violating (LFUV) 比值对标准模型之外新物理的敏感性。
• 将 LFUV 分析从 $B \to K^*\mu^+\mu^-$ 扩展至包含标量、矢量、轴矢量及重子末态（如 $K_1(1400)$ 和 $\Lambda$ 重子）的衰变模式。
• 通过螺旋度振幅和威尔逊系数，建立统一框架，以一致的运动学和极化约定比较不同衰变模式中新物理效应。
• 评估未来 Belle II 和 LHCb 测量在不同 $q^2$ 区间通过 LFUV 比值区分竞争性新物理模型的潜力。
• 量化强子形式因子不确定性和威尔逊系数的 $1\sigma$ 范围对多个衰变道中 LFUV 预测的影响。

提出的方法

• 采用模型无关的有效哈密顿量方法描述 $b \to s\ell^+\ell^-$ 转换，通过威尔逊系数同时包含标准模型和新物理贡献。
• 利用螺旋度形式体系计算所有衰变模式（$B \to K^*\ell^+\ell^-$、$B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$、$B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 和 $B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$）的螺旋度振幅，保持极化和运动学约定的一致性。
• 将螺旋度振幅表示为威尔逊系数和强子形式因子的函数，从而实现不同末态中新物理效应的直接比较。
• 基于对 $b \to s\ell^+\ell^-$ 数据的全局拟合，采用新物理情景（如 $Z'$、轻子数子和标量媒介子）进行数值分析。
• 在多个 $q^2$ 区间内计算 LFUV 比值 $R_K$、$R_{K^*}$、$R_{K_1^{(L,T)}}$ 和 $R_{\Lambda^{(0,1)}}$，并传播形式因子不确定性和威尔逊系数的 $1\sigma$ 范围带来的误差。
• 分析这些比值在不同运动学区域（尤其是 NP 效应增强的低-$q^2$ 区间）对新物理的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在新物理作用下，涉及 $K_1(1400)$、$\Lambda$ 和 $\Lambda^*$ 末态的 $b \to s\ell^+\ell^-$ 衰变中的 LFUV 比值与标准模型预测有何差异？
• RQ2 $B \to K^*\ell^+\ell^-$、$B \to K_1(1400)\ell^+\ell^-$ 和 $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 衰变中，哪些 $q^2$ 区间对新物理效应表现出最高敏感性？
• RQ3 $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 和 $B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$ 衰变中的 LFUV 比值能否帮助区分 $Z'$、轻子数子或标量媒介子等不同新物理模型？
• RQ4 形式因子不确定性和威尔逊系数的 $1\sigma$ 范围如何影响不同衰变道中 LFUV 比值的预测能力？
• RQ5 未来 Belle II 和 LHCb 实验在重子末态和更高自旋末态中测量 LFUV 比值，其在解决 $R_K$ 和 $R_{K^*}$ 异常方面的潜力如何？

主要发现

• $q^2 \in [1,6]$ GeV$^2$ 区间内，$R_{K_1^{(L,T)}(1400)}$ 比值显著偏离标准模型预测值 1.0，新物理情景 S3 和 S4 分别预测值低至 0.782 和 0.753，表明对新物理具有高度敏感性。
• 在 $B \to \Lambda\ell^+\ell^-$ 衰变中，LFUV 比值 $R_\Lambda$ 在新物理情景下显著下降——S3 中达 0.785，S6 中达 0.768，尤其在高-$q^2$ 区间，显示出区分新物理模型的强潜力。
• $B \to \Lambda^*\ell^+\ell^-$ 衰变中的 $R_{\Lambda^{(0,1)}}$ 比值在低-$q^2$ 区域偏离标准模型最大达 25%，S1 和 S6 分别预测低至 0.784 和 0.769，表明对新物理高度敏感。
• $q^2 \in [1.1,6]$ GeV$^2$ 区间内，$R_{K^*}$ 比值在新物理情景 S2 中预测低至 0.69，与实验数据一致；而 $B \to K\ell^+\ell^-$ 中的 $R_K$ 比值在 S3 和 S4 中最大偏离达 15%。
• $q^2 \in [14,q^2_{\text{max}}]$ 区间内，$R_{\Lambda^1}$ 比值在 S1 中预测降至 0.786，S6 中降至 0.767，表明重子衰变的高-$q^2$ 区域对新物理特别敏感。
• 本研究识别出 $R_{K_1^{(L,T)}(1400)}$ 和 $R_{\Lambda^{(0,1)}}$ 为区分新物理模型的关键可观测量，尤其在形式因子不确定性较小且新物理效应增强的低-$q^2$ 区间。